王少寧，成 鋼，趙登峰

(蘭州空間技術(shù)物理研究所，甘肅蘭州730000)

1 引言

電推進(jìn)作為一種先進(jìn)的推進(jìn)技術(shù)，由于其高比沖的優(yōu)勢(shì)，可以降低航天器系統(tǒng)質(zhì)量、提高壽命、增加有效載荷，已經(jīng)成為衡量一顆衛(wèi)星先進(jìn)性的重要指標(biāo)。并且電推進(jìn)已經(jīng)是具有戰(zhàn)略競(jìng)爭(zhēng)力的未來(lái)航天器關(guān)鍵技術(shù)，一方面，以離子和霍耳類型為代表的電推進(jìn)正在逐步成為長(zhǎng)壽命通信衛(wèi)星的標(biāo)準(zhǔn)配置和深空探測(cè)航天器的必需技術(shù);另一方面，以微推力為特性的電推進(jìn)是需要精確姿態(tài)控制的衛(wèi)星、衛(wèi)星星座組網(wǎng)及精確編隊(duì)飛行控制的支撐技術(shù)。

電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，電源處理單元是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的二次電源變換設(shè)備，它將航天器的太陽(yáng)能電池母線電壓轉(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。

2 電源處理單元(PPU)技術(shù)［1～4］

電源處理單元是電推進(jìn)系統(tǒng)的主要組成部分，它是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的二次電源變換設(shè)備，它將航天器的太陽(yáng)能電池母線電壓轉(zhuǎn)換為電推進(jìn)系統(tǒng)的推力器需要的各種電壓和電流，是電推進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠工作的基礎(chǔ)。

航天器用電源處理單元不僅需具備功率變換功能，還需具備接受指令執(zhí)行各路輸出的開(kāi)關(guān)功能、各路電源輸出電壓和電流的遙測(cè)功能和故障保護(hù)功能。其中故障保護(hù)功能主要包括母線的短路保護(hù)功能、輸出過(guò)載及短路保護(hù)功能和推力器異常息弧保護(hù)功能。

根據(jù)離子電推進(jìn)系統(tǒng)的不同型號(hào)推力器的供電要求，電源處理單元的內(nèi)部功能電源配置一般包括以下9個(gè)功能電源輸出:

陰極加熱電源;2)陰極觸持極電源;3)陰極點(diǎn)火電源;4)陽(yáng)極電源(也稱放電室電源);5)中和器陰極加熱電源(以下簡(jiǎn)稱中加熱電源);6)中和器觸持極電源(以下簡(jiǎn)稱中觸持電源);7)中和器陰極點(diǎn)火電源(以下簡(jiǎn)稱中點(diǎn)火電源);8)加速電源;9)屏柵電源(也稱束電源)。

對(duì)于輸出功率大小不同的推力器，電源處理單元的各功能電源配置也有差異，比如對(duì)于有些小功率推力器沒(méi)有陰極觸持極電源，而對(duì)于工作壽命要求長(zhǎng)的推力器還要求電源處理單元提供消除柵極間短路故障的燒蝕電源。因此電源處理單元的功能電源配置需要根據(jù)具體的推力器確定，但與典型的離子推力器配套的電源處理單元必須具有加熱電源、陽(yáng)極電源、中和器觸持極電源、加速電源和屏柵電源。屏柵電源和加速電源給推力器提供了高壓以加速離子束的引出，陽(yáng)極電源為放電室陰極提供電流電離氙氣推進(jìn)劑。中和器觸持極電源為中和器陰極提供電流中和氙離子束流。加熱電源分別為2個(gè)陰極加熱絲提供加熱電流，使陰極溫度達(dá)到發(fā)射電子的狀態(tài)。

電源處理單元各功能電源組成及與推力器供電示意圖見(jiàn)圖1所示。

離子電推進(jìn)系統(tǒng)推力器工作過(guò)程中，電源處理單元各功能電源的工作情況如下:

(1)陰極和中和器陰極2個(gè)加熱電源，對(duì)空心陰極加熱絲通電加熱，直到空心陰極溫度被加熱到1600℃，空心陰極發(fā)射體開(kāi)始熱電子發(fā)射;

(2)陰極觸持極電源、陽(yáng)極電源及中和器觸持極電源，建立陰極和中和器陰極電子發(fā)射電場(chǎng)，維持陰極的穩(wěn)定持續(xù)放電狀態(tài)，并在主陰極和陽(yáng)極間形成等離子體區(qū)域;

(3)陰極點(diǎn)火電源和中和器點(diǎn)火電源，分別在主陰極和中和器的陰極與觸持極之間產(chǎn)生高壓?jiǎn)未蚊}沖，使陰極和觸持極之間起弧放電;

(4)加速電源和屏柵電源用以離子光學(xué)組件供電，對(duì)放電室內(nèi)被電離的Xe+進(jìn)行聚焦、加速和引出，從而產(chǎn)生推力。

圖1 電源處理單元組成及與推力器供電關(guān)系示意圖

本文以1 kW離子電推進(jìn)系統(tǒng)配套的電源處理單元為設(shè)計(jì)對(duì)象，電源處理單元的基本特性參數(shù)見(jiàn)表1所列。此外點(diǎn)火電源為峰值大于650 V的高電壓脈沖，脈沖寬度不小于10 μs。

由于電源處理單元中的屏柵電源輸出電壓高壓1 000 V，所以產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)高壓輸出端與一次母線、控制和遙測(cè)的隔離設(shè)計(jì)具有很高的要求。本設(shè)計(jì)采用了高耐壓功率變壓器，實(shí)現(xiàn)輸出高壓和母線的隔離，并采用變壓器隔離采樣及電流互感器取樣等隔離技術(shù)，以滿足與輸出高壓的隔離要求。

此外，由于電源處理單元的輸出功率大，電路中的功率器件熱耗大，所以對(duì)發(fā)熱量大的功率器件必須采用有效的散熱措施，確保其最短和最有效的散熱途徑，保證產(chǎn)品的可靠性。

表1 電源處理單元的基本特性參數(shù)

3.1 屏柵電源設(shè)計(jì)

由電源處理單元的基本參數(shù)要求得到，整個(gè)設(shè)備的總輸出功率達(dá)到1 kW以上，屏柵電源的輸出電壓高達(dá)1000 V，并提供了80%的功率輸出，所以屏柵電源是電源處理單元中最重要的電源，屏柵電源的高效率設(shè)計(jì)是PPU獲得更高總效率的關(guān)鍵。

由于屏柵電源的輸出功率接近1 kW，所以選用全橋式功率變換拓?fù)?，電路原理示意圖見(jiàn)圖2所示。盡管全橋功率變換拓?fù)湎鄬?duì)與其他功率變換拓?fù)浔容^復(fù)雜，但它適合高電壓輸入和大功率輸出的功率變換應(yīng)用。屏柵電源的高電壓輸出由功率變壓器的4個(gè)次級(jí)繞組串聯(lián)輸出，這樣可以有效降低輸出整流二極管的耐壓要求，并且提高電源的效率。由于高耐壓的二極管具有較大的正向壓降，例如二極管的耐壓高于1 000 V時(shí)，它的正向壓降達(dá)到3 V多，由此比一般的二極管的功耗高出3倍多。應(yīng)用4個(gè)次級(jí)繞組串聯(lián)輸出，相對(duì)1 000 V的高壓輸出，每個(gè)整流電路中的二極管的耐壓只要大于200 V即可滿足使用要求。

屏柵電源的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)為40 kHz，因?yàn)樵陔娐吩囼?yàn)中得到更高的開(kāi)關(guān)頻率將產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)損耗，較低的開(kāi)關(guān)頻率還能使高壓功率變壓器產(chǎn)生的寄生參數(shù)的影響最小化。

全橋功率變換拓?fù)溆擅}寬調(diào)制器(Pulse－Width Modulation，PWM)控制場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET1～MOSFET4。屏柵電源的穩(wěn)壓反饋控制電路必須要求與高壓輸出端具有較高的隔離耐壓，因此反饋采樣電路由功率變壓器的輔助繞組取樣，再送入PWM進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓的穩(wěn)壓控制。

屏柵電源的功率變壓器選擇環(huán)形的鐵氧體磁性材料，變壓器的初級(jí)繞組使用多股漆包線纏繞以降低高頻電流的趨附效應(yīng)，變壓器的4個(gè)次級(jí)繞組的每一個(gè)繞組單獨(dú)繞制一層以減小層間的寄生電容。

圖2 全橋功率變換電路示意圖

3.2 陽(yáng)極電源、觸持極電源及加熱電源設(shè)計(jì)

陽(yáng)極電源與屏柵電源的輸出正線合并，輸出為同一端。陽(yáng)極電源的輸出功率雖然比屏柵電源小，但它對(duì)提高整機(jī)效率仍有重要的作用。陽(yáng)極電源的輸出功率為100 W左右，根據(jù)該變換功率的大小和電路簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)要求，選擇正激功率變換拓?fù)洹?/p>

簡(jiǎn)化的正激功率變換電路示意圖見(jiàn)3圖所示。推挽或半橋變換器需要2個(gè)開(kāi)關(guān)管，全橋變換器需要4個(gè)開(kāi)關(guān)管，相比較正激功率變換只需要1個(gè)開(kāi)關(guān)管。正激變換的開(kāi)關(guān)頻率選擇為80 kHz，盡可能減輕產(chǎn)品質(zhì)量。電源的設(shè)計(jì)選擇了電流型控制PWM，以取得更好的穩(wěn)定性和過(guò)流保護(hù)性能，試驗(yàn)電路使用了商業(yè)級(jí)的PWM控制器，其性能參數(shù)與飛行器件一致。

陽(yáng)極電源的功率變壓器、輸入電感、輸出電感都使用鐵氧體罐形磁芯，這種磁芯具有較好的高頻特性和較低的磁芯損耗。罐形磁芯還可以提供很好的集中磁場(chǎng)以及容易繞制和良好的散熱。與之前的設(shè)計(jì)相比，在減小了輸出濾波電感的尺寸后，其輸出電流紋波也改善了很多。

觸持極電源和加熱電源的輸出功率雖然比陽(yáng)極電源小，但由于輸出特性相近，其控制方式均為穩(wěn)流源，為了整體設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化，因此也選擇了正激功率變壓器拓?fù)洹Ｖ泻推饔|持極電源為中和器的觸持極到陰極提供一個(gè)電子通路，以維持中和器放電，并且中和由放電室引出的氙離子束，使其成為不帶電的中性氙原子。觸持極電源和加熱電源采用了與陽(yáng)極電源一樣的PWM控制器和變壓器、電感器磁芯。

圖3 正激功率變換電路示意圖

3.3 加速電源設(shè)計(jì)

加速電源正常工作時(shí)輸出電流只有10 mA左右，但它的輸出電壓較高，為150 V至180 V。因此，針對(duì)加速電源的輸出功率小、高電壓輸出特性及電路簡(jiǎn)單原則，選擇了反激功率變換拓?fù)?。反激功率變換電路示意圖見(jiàn)圖4所示。同正激變換器一樣，反激變換器也只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管，并且由于反激變換器的功率變壓器具有儲(chǔ)能作用，減少了一個(gè)輸出濾波電感器。

加速電源同樣選擇了商業(yè)級(jí)的電流型PWM控制器和鐵氧體罐形磁芯。此外，加速電源還要求能提供100 mA到500 mA的啟動(dòng)及故障恢復(fù)時(shí)的瞬態(tài)電流。這種狀態(tài)主要是由于推力器在點(diǎn)火引出束流及故障恢復(fù)過(guò)程中出現(xiàn)的電子反流產(chǎn)生的較大電流。加速電源可以通過(guò)大容量的輸出電容提供這種瞬態(tài)大電流的輸出要求。

加速電源為穩(wěn)壓控制方式，穩(wěn)壓反饋控制電路是在電源的輸出端取樣電壓信號(hào)，通過(guò)微分放大器比較輸出控制信號(hào)，反饋到PWM控制器，調(diào)整輸出電壓，保證電壓的穩(wěn)定性。

3.4 遙測(cè)電路設(shè)計(jì)

電源處理單元包括數(shù)十個(gè)功能電源，其工作狀態(tài)與電推進(jìn)系統(tǒng)的工作性能直接相關(guān)，從系統(tǒng)性能要求出發(fā)，希望得到每個(gè)電源的輸出電壓和電流的模擬遙測(cè)值，從而可以在航天器在軌飛行中知道每個(gè)各電源的工作參數(shù)，進(jìn)一步得到推力器在軌工作性能。

但是如果要得到每個(gè)電源的模擬遙測(cè)值，會(huì)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)復(fù)雜并且?guī)?lái)體積和質(zhì)量的增加。所以在試驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)中根據(jù)系統(tǒng)的基本要求，模擬遙測(cè)輸出只設(shè)計(jì)了屏柵電源的輸出電壓和電流遙測(cè)電路，通過(guò)這兩路遙測(cè)值可以計(jì)算得到推力器工作時(shí)的推力和比沖。其他必要的遙測(cè)為判斷推力器是否正常工作的量，其中包括陽(yáng)極電源和中和器觸持極電源的電流遙測(cè)，這些遙測(cè)量只提供狀態(tài)判斷作用，以表明電源的輸出電流值是否超出預(yù)定的設(shè)定值，用以判斷電源工作是否正常。

圖4 反激功率變換電路示意圖

屏柵電源的模擬遙測(cè)量電路設(shè)計(jì)，通過(guò)隔離變壓器取樣輸出電壓，經(jīng)過(guò)整流濾波得到0～5 V的電壓輸出，電流遙測(cè)通過(guò)電流霍爾傳感器取樣輸出電流，得到遙測(cè)電壓值。電壓遙測(cè)和電流遙測(cè)值都將通過(guò)給定的轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算得到輸出電壓和電流值，該計(jì)算值與真實(shí)值間的誤差不大于2%。

陽(yáng)極電源和中和器觸持極電源的電流狀態(tài)遙測(cè)量，可以通過(guò)線性度較差的電流互感器取樣輸出電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)整流濾波后得到電壓信號(hào)，該信號(hào)被送入控制單元，與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，若低于設(shè)定值，表明電源輸出電流降低，處于故障狀態(tài)，此時(shí)控制單元將根據(jù)設(shè)定的程序?qū)﹄娡七M(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的故障處理控制。

3.5 電路測(cè)試及結(jié)果

對(duì)電源處理單元試驗(yàn)電路的性能參數(shù)主要測(cè)試了電源效率和輸出電壓或電流的穩(wěn)定度。電路測(cè)試使用電子負(fù)載測(cè)試電源的輸出電壓和電流，電源是在規(guī)定的輸入電壓變化和負(fù)載變化范圍內(nèi)測(cè)試。電源的穩(wěn)定度包括負(fù)載穩(wěn)定度和線性穩(wěn)定度。負(fù)載穩(wěn)定度是指當(dāng)輸入電壓一定，負(fù)載在最小值和額定值間變化，輸出電壓或電流的最大差值與設(shè)定點(diǎn)的百分比值。線性穩(wěn)定度是指當(dāng)在負(fù)載一定時(shí)，輸入電壓在規(guī)定的最低與最高電壓范圍內(nèi)變化，輸出電壓或電流的最大差值與設(shè)定點(diǎn)的百分比值。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)電路的測(cè)試得到:所有電源的穩(wěn)定度，包括負(fù)載穩(wěn)定度和線性穩(wěn)定度均小于5%。電源的效率都是在輸入電壓為100 V下測(cè)試的。圖5、圖6給出了主要的屏柵電源和陽(yáng)極電源效率測(cè)試曲線。屏柵電源測(cè)試了在不同輸出電流下的效率，陽(yáng)極電源測(cè)試了3個(gè)輸出電流在不同的輸出負(fù)載電阻下的效率。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)屏柵電源輸出電流為0.9 A時(shí)效率最高，達(dá)到了93.3%，而當(dāng)輸出電流再增大時(shí)，效率將降低。陽(yáng)極電源在輸出電流為4 A、負(fù)載電阻為8 Ω時(shí)效率最高達(dá)到89%;當(dāng)輸出電流為5 A時(shí)，電路中損耗變大，電源的效率均較低。此外，加速電源是在輸出電流為12 mA下測(cè)試，其效率只有20%。最終，電源處理單元在輸出功率為1 kW時(shí)，電源的總效率為90%。

圖5 屏柵電源效率測(cè)試曲線

圖6 陽(yáng)極電源效率測(cè)試曲線

3 電源處理單元技術(shù)展望［5］

電源處理單元是一個(gè)復(fù)雜的供電設(shè)備，不僅由多路功能電源組成，還包括與控制設(shè)備連接的接口電路，由此實(shí)現(xiàn)電推進(jìn)系統(tǒng)的加電控制時(shí)序要求。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)外倍受關(guān)注的數(shù)字電源，可以將數(shù)字電源應(yīng)用到電推進(jìn)系統(tǒng)電源處理單元的設(shè)計(jì)中。

數(shù)字電源特別適合復(fù)雜電源系統(tǒng)，當(dāng)電源系統(tǒng)越復(fù)雜，數(shù)字電源的成本越具有競(jìng)爭(zhēng)力，附加功能更強(qiáng)大，更能滿足用戶的特殊要求。因?yàn)閿?shù)字電源可以集成系統(tǒng)中很多功能，特別是電源管理功能。因此，如果用戶需要電源時(shí)序管理、電壓/電流監(jiān)控、溫度監(jiān)測(cè)、參數(shù)調(diào)整和修改等功能，以及用于靈活的系統(tǒng)級(jí)控制和實(shí)時(shí)的故障診斷反饋。在模擬世界里，這些功能可能需要不同的IC或根本不能實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字電源世界，這些功能被集成在數(shù)字芯片中，不需要額外的芯片，這種高集成度可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高產(chǎn)品化水平和性能的一致性。并且，數(shù)字電源的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)和功能就是可編程，比如通信、檢測(cè)、遙測(cè)等所有功能都可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。

因此，數(shù)字電源技術(shù)非常適合應(yīng)用到電源處理單元的設(shè)計(jì)中，通過(guò)產(chǎn)品的整體設(shè)計(jì)，可以代替電推進(jìn)系統(tǒng)中的控制單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源處理單元的開(kāi)關(guān)機(jī)控制，并且通過(guò)數(shù)字電源的可編程技術(shù)可以容易的實(shí)現(xiàn)電源輸出電壓即電流參數(shù)的改變，以實(shí)現(xiàn)不同推力大小的控制。

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